(57)【要約】【課題】本発明は、光通信、光信号処理及び光計測等の分野で利用される平面型光回路に関し、平面型光回路の信頼性向上と、製造工程における生産性向上及び低コスト化を同時に実現する平面型光回路を提供することを目的とする。【解決手段】ＧｅＯ2が２５〜３５ｍｏｌ％濃度で添加された石英ガラスのコアと、コアと上部クラッド層との比屈折率差がΔ＝０．２％〜１．５％であり、石英ガラスの上部クラッド層は、コアのＧｅＯ2濃度Ｘｍｏｌ％、上部クラッド層のＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3の濃度をそれぞれＸ”、Ｙ、Ｚ（ｍｏｌ％）とすると、（１−Δ）×（ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ）＝ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ”＋δｎP2O5×Ｙ＋δｎB2O3×Ｚ及び、αSiO2＋δαGeO2×Ｘ＝αSiO2＋δαGeO2×Ｘ”＋δαP2O5×Ｙ＋δαB2O3×Ｚを同時に満足するＸ”、Ｙ、Ｚの組からなる組成を有する。【選択図】図５
2005265892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板上に、石英ガラスで形成された下部クラッド層と、
前記下部クラッド層上に、ＧｅＯ2が２５〜３５ｍｏｌ％の濃度で添加された石英ガラスで形成されたコアと、
前記コアを覆うように、石英ガラスで形成された上部クラッド層と
を有することを特徴とする平面型光回路。
【請求項２】
請求項１記載の平面型光回路であって、
前記コアと前記下部及び上部クラッド層との間の比屈折率差Δが、Δ＝０．２％〜１．５％であること
を特徴とする平面型光回路。
【請求項３】
請求項２記載の平面型光回路であって、
前記上部クラッド層は、
ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3のうち少なくとも２つ以上がドープされた石英ガラスで形成され、
前記石英ガラスは、
前記コアのＧｅＯ2濃度をＸｍｏｌ％（但し、２５≦Ｘ≦３５（ｍｏｌ％））とし、
前記上部クラッド層のＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3の濃度をそれぞれＸ”、Ｙ、Ｚ（ｍｏｌ％）とすると、
式  （１−Δ）×（ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ）＝ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ”＋δｎP2O5×Ｙ＋δｎB2O3×Ｚ
及び、
式  αSiO2＋δαGeO2×Ｘ＝αSiO2＋δαGeO2×Ｘ”＋δαP2O5×Ｙ＋δαB2O3×Ｚ
（但し、
ｎ0：石英ガラスの屈折率；
δｎGeO2：ＧｅＯ2がドープされたときの石英ガラスの屈折率の変化量；
δｎP2O5：Ｐ2Ｏ5がドープされたときの石英ガラスの屈折率の変化量；
δｎB2O3：Ｂ2Ｏ3がドープされたときの石英ガラスの屈折率の変化量；
αSiO2：石英ガラスの熱膨張係数；
δαGeO2：ＧｅＯ2がドープされたときの石英ガラスの熱膨張係数の増分；
δαP2O5：Ｐ2Ｏ5がドープされたときの石英ガラスの熱膨張係数の増分；
δαB2O3：Ｂ2Ｏ3がドープされたときの石英ガラスの熱膨張係数の増分
である。）
を同時に満足するＸ”、Ｙ、Ｚの組からなる組成を有すること
を特徴とする平面型光回路。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の平面型光回路であって、
光導波路がマッハツェンダー型干渉系の構造を有すること
を特徴とする平面型光回路。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の平面型光回路であって、
光導波路がアレイ導波路回析格子の構造を有すること
を特徴とする平面型光回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信、光信号処理及び光計測等の分野で利用される平面型光回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコンや石英で形成された平面基板上に石英ガラスで形成される平面型光導波路は、光通信、光情報処理及び光計測等の分野において実用的な光デバイスとして広く用いられている。近年では情報通信の広帯域化が進んでおり、特にＦＴＴＨ（Ｆｉｂｅｒ  Ｔｏ  Ｔｈｅ  Ｈｏｍｅ）等に代表されるように各家庭やオフィスにまで光ファイバが敷設されることとなり、このような光通信デバイスの重要性が増してきている。
【０００３】
今後、各家庭に光ファイバが敷設されるようになると、各ノードにレーザダイオードやフォトダイオード等の能動素子を備えた光デバイスが必要になる。現状の光導波路は、熱的及び機械的安定性の観点から石英ガラス基板上に形成されるのが一般的である。しかしながら、これら能動素子を備えた平面型光回路は、能動素子やそれを駆動するために組み込まれた高周波回路からの発熱が無視できないため、熱伝導性に優れたシリコン基板上に形成するのが望ましい。ところが、シリコン基板上に石英光導波路を形成すると、基板と石英膜との熱膨張係数（線膨張係数）の相違により残留応力が生じてしまい、偏波依存性に基づく光透過損失である偏波依存性損失（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ−ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ  ｌｏｓｓ；ＰＤＬ）が大きくなってしまい、信号特性が劣化してしまうという問題が生じる。
【０００４】
この問題を回避するために、レーザダイオードを放熱性の高いシリコン製のテラス上に形成し、当該シリコンテラスを石英光導波路が形成された石英ガラス基板に位置合わせして固定する手法が採られている。
【０００５】
また、光導波路の偏波依存性を低減させる方法としては、例えば特許文献１にあるように、石英ガラス基板上に光導波路を形成し、当該光導波路の途中にポリイミド製等の半波長板を挿入する方法が採られている。この方法は、導波路の光の伝搬方向のほぼ中間位置に半波長板を挿入して導波路の前半部と後半部とで偏波方向を反転させることにより偏波依存性を相殺している。
【０００６】
一方で、このような光導波路の偏波依存性は、前述のようにシリコン基板と光導波路を形成するガラス材料との熱膨張係数の差で生じた応力に起因する光弾性効果に基づいて生じている。このため、光導波路を形成するガラス材料の組成を調整し、シリコン基板とガラス材料の熱膨張係数を一致させる試みも行われている。例えば、特許文献２においてはガラス中に５０ｍｏｌ％以下のＧｅＯ2を含ませることによってシリコン基板とガラス材料の熱膨張係数の一致を図っている。
【０００７】
【特許文献１】特許第３２６４６５２号明細書
【特許文献２】特開２０００−２４１６３５号公報
【０００８】
【非特許文献１】Huang et al., RELATIONSHIP BETWEEN COMPOSITION, DENSITY AND REFRACTIVE INDEX FOR GERMANIA SILICA GLASSES, Journal of Non-Crystalline Solids 27 (1978), pp29-37
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、シリコンテラスを石英ガラス基板に固定する方法では通常、レーザダイオードを発光させた状態で石英光導波路からの出射光強度をモニタリングしながら固定位置の位置合わせを行うため、位置合わせ時間が長時間になり、生産性が大きく低下してしまうという問題を有している。
【００１０】
また、半波長板を挿入する方法は、完成した光導波路に半波長板を挿入するための溝加工を施す必要が生じるため、通常の製造工程に加えて、溝加工及び波長板挿入の工程を付加する必要が生じていまい、生産性の低下、コスト増の原因となってしまう。さらに、波長板を固定するために樹脂を使用するため、高温高湿条件下での使用における長期信頼性を低下させる原因となる可能性がある。
【００１１】
光導波路を形成するガラス材料の組成を調整する方法においては、熱膨張係数をシリコン基板のそれと一致させるために所定濃度のＧｅＯ2を添加すると、ＧｅＯ2の添加により屈折率及び粘度も同時に変化してしまうため、所望の設計値に見合う光導波路を製造するのは困難である。例えば、特許文献２に開示されているように４０ｍｏｌ％以上のＧｅＯ2を上部クラッド層にドープすると、上部クラッド層の熱膨張係数がシリコン基板のそれを超えてしまうため、上部クラッド層に引っ張り応力が生じてしまい、上部クラッド層にクラック（割れや欠け）が発生し易くなる。また、上部クラッド層のＧｅＯ2ドープ量が２０ｍｏｌ％以下であると上部クラッド層の熱膨張係数がさほど上昇しないため、シリコン基板によって上部クラッド層及びコアが圧縮応力を受けてガラス材料中に複屈折が生じて、結果的に偏波依存性を低減させる効果が無くなってしまう。また、特許文献２ではコアとクラッド層間での熱膨張係数の一致を考慮していないため、コアがクラッド層から受ける応力によって偏波依存性が生じてしまう。
【００１２】
本発明の目的は、光集積回路を用いた能動素子の集積化を実現するに当たり偏波無依存型平面型光回路の信頼性向上と、製造工程における生産性向上及び低コスト化を同時に実現する平面型光回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的は、シリコン基板上に、石英ガラスで形成された下部クラッド層と、前記下部クラッド層上に、ＧｅＯ2が２５〜３５ｍｏｌ％の濃度で添加された石英ガラスで形成されたコアと、前記コアを覆うように、石英ガラスで形成された上部クラッド層とを有することを特徴とする平面型光回路によって達成される。
【００１４】
上記本発明の平面型光回路であって、前記コアと前記下部及び上部クラッド層との間の比屈折率差Δが、Δ＝０．２％〜１．５％であることを特徴とする。
【００１５】
上記本発明の平面型光回路であって、前記上部クラッド層は、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3のうち少なくとも２つ以上がドープされた石英ガラスで形成され、前記石英ガラスは、前記コアのＧｅＯ2濃度をＸｍｏｌ％（但し、２５≦Ｘ≦３５（ｍｏｌ％））とし、前記上部クラッド層のＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3の濃度をそれぞれＸ”、Ｙ、Ｚ（ｍｏｌ％）とすると、式  （１−Δ）×（ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ）＝ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ”＋δｎP2O5×Ｙ＋δｎB2O3×Ｚ及び、式  αSiO2＋δαGeO2×Ｘ＝αSiO2＋δαGeO2×Ｘ”＋δαP2O5×Ｙ＋δαB2O3×Ｚ（但し、ｎ0：石英ガラスの屈折率；δｎGeO2：ＧｅＯ2がドープされたときの石英ガラスの屈折率の変化量；δｎP2O5：Ｐ2Ｏ5がドープされたときの石英ガラスの屈折率の変化量；δｎB2O3：Ｂ2Ｏ3がドープされたときの石英ガラスの屈折率の変化量；αSiO2：石英ガラスの熱膨張係数；δαGeO2：ＧｅＯ2がドープされたときの石英ガラスの熱膨張係数の増分；δαP2O5：Ｐ2Ｏ5がドープされたときの石英ガラスの熱膨張係数の増分；δαB2O3：Ｂ2Ｏ3がドープされたときの石英ガラスの熱膨張係数の増分である。）を同時に満足するＸ”、Ｙ、Ｚの組からなる組成を有することを特徴とする。
【００１６】
上記本発明の平面型光回路であって、光導波路がマッハツェンダー型干渉系の構造を有することを特徴とする。
【００１７】
上記本発明の平面型光回路であって、光導波路がアレイ導波路回析格子（Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇ；ＡＷＧ）の構造を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光通信、光情報処理分野において、光集積回路を用いた能動素子の集積化を実現するに当たり長期信頼性が高く偏波依存性の極めて低い平面型光回路を安価且つ大量に提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の一実施の形態による平面型光回路について図１乃至図５を用いて説明する。本実施の形態による平面型光回路は、シリコン基板上に形成された下部クラッド層と、下部クラッド層上に形成されたコアと、コアを覆うように形成された上部クラッド層とを備えている。下部クラッド層、コア、及び上部クラッド層はゲルマニウムドープ石英ガラスで形成されている。コアを形成する石英ガラスは、２５〜３５Ｍｏｌ％のＧｅＯ2を含んでおり、シリコン基板と同程度の熱膨張係数を有している。上部クラッド層を形成する石英ガラスは、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5及びＢ2Ｏ3が所定の関係でドープされてコアとほぼ同一の熱膨張係数を有し、且つコアとクラッド層との比屈折率差ΔがΔ＝０．２〜１．５％であり、さらに、上部クラッド層と下部クラッド層が同程度の屈折率を有するように調整されている。これにより、偏波無依存型の平面型光回路が実現される。
【００２０】
まず、本実施の形態の一実施例としてマッハツェンダー型干渉系を備えた平面型光回路について説明する。図１は、光導波路の製造方法を示しており、形成されるコアの延伸方向にほぼ直交する断面を示している。まず図１（ａ）に示すように、化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いて、シリコン基板１上に石英ガラスを所定膜厚（例えば、３０μｍ）に堆積して下部クラッド層２を形成する。次に図１（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて、光が伝搬するコア３２を形成するためにＧｅＯ2をドープしたガラス層３１を所定膜厚（例えば、６μｍ）に形成する。次いで、フォトリソグラフィー法を用いてガラス層３１をパターニングし、図１（ｃ）に示すように、隣り合う複数の導波路形状の幅６μｍのコア３２、３２’を形成する。続いて図１（ｄ）に示すように、下部クラッド層２と等しい屈折率を有する上部クラッド層４をＣＶＤ法によって形成する。下部クラッド層２と上部クラッド層４の屈折率が等しい導波路は対称型チャネル導波路と呼ばれ、導波する光信号の導波モードが対称になるため、接続する光ファイバの導波モードと一致させ易くなる利点を有している。
【００２１】
なお、図１に示す製造方法では、ガラス層の形成方法としてＣＶＤ法を用いているが、もちろんこれに限定されることなく、スパッタ法、火炎堆積法等の他のガラス膜合成方法を用いたり、それらを組み合わせて用いたりすることも可能である。
【００２２】
図２は、図１に示した方法により製造されたマッハツェンダー型平面型光回路の平面構成の概略を示している。マッハツェンダー型平面型光回路は、図２に示すように、２つのコア３２、３２’間を所定距離に渡って所定幅に狭めた方向性結合器３が直列に２段に形成され、方向性結合器３の両端側に２つの入力導波路Ｉｎと２つの出力導波路Ｏｕｔとが形成された構造になっている。
【００２３】
図３は、石英ガラスの屈折率のドーパント濃度依存性を示している。図３において横軸はドーパント濃度（ｍｏｌ％）を表し、縦軸は屈折率を表している。ここで、コア３２、３２’（以下、コア３２で代表する）の石英ガラスに含まれるＧｅＯ2の濃度をＸ［ｍｏｌ％］とする。図３に示すように、ドーパントを添加しない石英ガラスの通信波長帯における屈折率ｎ0は、ｎ0＝１．４４４である。また、ＧｅＯ2がドープされたときの石英ガラスの屈折率はほぼ線形に変化し、その変化量δｎGeO2は、δｎGeO2＝０．００１４４［１／ｍｏｌ％］である。したがって、ガラス層３１の屈折率、つまりコア３２の屈折率ｎcoreは、石英ガラスの屈折率ｎ0（＝１．４４４）を縦軸の切片とし、δｎGeO2（＝０．００１４４［１／ｍｏｌ％］）を傾きとする式１に示す一次式になる。
【００２４】
ｎcore＝ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ  ・・・（式１）
＝１．４４４＋０．００１４４×Ｘ
【００２５】
同様にして、下部クラッド層２中のＧｅＯ2濃度をＸ’とするとガラス層３１の場合と同様に組成から計算される下部クラッド層２の屈折率ｎlowercladは次の式１’となる。
ｎlowerclad＝ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ’  ・・・（式１’）
＝１．４４４＋０．００１４４×Ｘ’
【００２６】
ここで、光が導波路内を伝搬するためにはコア３２のガラスの屈折率は下部クラッド層２に対して、わずかに高くなければならない。そこで、比屈折率差Δを０．００２≦Δ≦０．０１５とする。ここで、比屈折率差Δは次の式２で表される。
【００２７】
Δ＝（ｎcore−ｎclad）／ｎcore  ・・・（式２）
但し、ｎcore：コア３２の屈折率；ｎclad：クラッド層の屈折率である。
従って、式２中のクラッド層の屈折率ｎcladを下部クラッド層２の屈折率ｎlowercladとしてｎlowercladを求めると次の式３となる。
【００２８】
ｎlowerclad＝（１−Δ）×ｎcore
＝（１−Δ）×（ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ）  ・・・（式３）
＝（１−Δ）×（１．４４４＋０．００１４４×Ｘ）
ここで、式３のｎlowercladを式１’に代入してＸ’について解くと、下部クラッド層２中のＧｅＯ2濃度Ｘ’の値が得られる。
【００２９】
Ｘ’＝｛（１−Δ）Ｘ−（ｎ0×Δ／δｎGeO2）｝［ｍｏｌ％］
＝｛（１−Δ）Ｘ−（１．４４４×Δ／０．００１４４）｝［ｍｏｌ％］
【００３０】
上部クラッド層４の屈折率を制御するドーパントとしては、ＧｅＯ2の他にＰ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3を用いる。Ｐ2Ｏ5はＧｅＯ2と同様に石英ガラスの屈折率を上昇させるために使用されるが、純粋ＧｅＯ2ガラスの粘度は５６０℃付近で１３．０Ｐｏｉｓｅであるのに対して、純粋Ｐ2Ｏ5ガラスの粘度は７．６５ＰｏｉｓｅとＧｅＯ2ガラスに対して大幅に低い。従って、ＧｅＯ2の代わりにＰ2Ｏ5をドーパントとして使用すると上部クラッド層４を熱処理によってリフローさせ易くすることができる。また、Ｂ2Ｏ3はリフロー温度を下げるとともに石英ガラスの屈折率を下げる利点を有している。但し、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3は石英ガラスの吸湿性を上昇させるため、大量に使用するとデバイスの信頼性を低下させてしまう可能性がある。このため、現実にはＧｅＯ2の一部をＰ2Ｏ5に置換して用いるのが好ましい。Ｐ2Ｏ5の濃度はこれに限定されるものではないが、好ましくは１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下が望ましい。Ｂ2Ｏ3は図３に示すように屈折率を下げる効果を有しているので、そのドーパント濃度は屈折率の設計値と他のドーパントの濃度とに基づいて決定する。
【００３１】
石英ガラスにＸ”［ｍｏｌ％］の濃度でＧｅＯ2がドープされた上部クラッド層４の屈折率は、下部クラッド層２の場合と同様に石英ガラスに比べて０．００１４４×Ｘ”だけ高くなる。同様に図３に示すように、Ｐ2Ｏ5やＢ2Ｏ3がドープされたときの石英ガラスの屈折率もほぼ線形に変化し、その変化量δｎP2O5、δｎB2O3は、図３からそれぞれδｎP2O5＝０．００１４４［１／ｍｏｌ％］、δｎB2O3＝−０．０００３［１／ｍｏｌ％］である。したがって、上部クラッド層４の屈折率ｎuppercladはＰ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3の濃度をそれぞれＹ［ｍｏｌ％］、Ｚ［ｍｏｌ％］とすると次の式４で表される。
【００３２】
ｎupperclad＝ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ”＋δｎP2O5×Ｙ＋δｎB2O3×Ｚ  ・・・（式４）
【００３３】
すなわち上部クラッド層４の屈折率を決定する、Ｘ”、Ｙ、Ｚの組は１つに限定されない。
【００３４】
本実施例では、下部クラッド層２と上部クラッド層４の屈折率が一致している対称チャネル導波路を作製するので、ｎlowerclad＝ｎuppercladであり、式３と式４から次の式５が成り立つ。
【００３５】
（１−Δ）×（ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ）＝ｎ0＋δｎGeO2×Ｘ”＋δｎP2O5×Ｙ＋δｎB2O3×Ｚ  ・・・（式５）
【００３６】
図４は、石英ガラスの熱膨張係数のドーパント濃度依存性を示している。図４において横軸はドーパント濃度（ｍｏｌ％）を表し、縦軸は熱膨張係数（１０-7℃-1）を表している。図４に示すように、ドーパントを添加しない石英ガラスの熱膨張係数αSiO2は０．５［ｐｐｍ／℃］である。また、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3がそれぞれドープされたときの石英ガラスの熱膨張係数はほぼ線形に増加し、その増分δｎGeO2、δαP2O5、δαB2O3は、図４に示すようにそれぞれδαGeO2＝０．１２［ｐｐｍ／（℃×ｍｏｌ％）］、δαP2O5＝０．１７［ｐｐｍ／（℃×ｍｏｌ％）］、δαB2O3＝０．１０［ｐｐｍ／（℃×ｍｏｌ％）］である。
【００３７】
コア３２の熱膨張係数αcoreはＧｅＯ2のドープ量から次式となる。
【００３８】
αcore＝αSiO2＋δαGeO2×Ｘ
【００３９】
上部クラッド層４には、ＧｅＯ2とＰ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3がそれぞれ、Ｘ”［ｍｏｌ％］、Ｙ［ｍｏｌ％］、Ｚ［ｍｏｌ％］ドープされているから、上部クラッド層４の熱膨張係数αuppercladは次の式６となる。
【００４０】
αupperclad＝αSiO2＋δαGeO2×Ｘ”＋δαP2O5×Ｙ＋δαB2O3×Ｚ  ・・・（式６）
【００４１】
光導波路の偏波依存性の原因となるコア３２に生じる応力を考慮すると、αcore＝αuppercladとなることが望ましい。従って式１及び式６から次の式７が得られる。
【００４２】
αSiO2＋δαGeO2×Ｘ＝αSiO2＋δαGeO2×Ｘ”＋δαP2O5×Ｙ＋δαB2O3×Ｚ・・・（式７）
【００４３】
以上の説明から明らかなように、石英ガラスに含まれるＧｅＯ2の濃度Ｘと比屈折率差Δとを規定しておいて、式５と式７とを同時に満足する正の値Ｘ”、Ｙ、Ｚの組を決めることにより、下部クラッド層２と上部クラッド層４の屈折率を一致させ、且つ、熱膨張による応力の発生を抑えた平面型光回路を製造することができる。これにより、平面型光回路の偏波依存性を最小限にすることが可能となる。
【００４４】
本実施例では、導波路の比屈折率差Δを０．００４とし、コア３２の石英ガラスに含まれるＧｅＯ2の濃度Ｘ＝２５〜３５ｍｏｌ％の下で、上記条件を満たしつつ信頼性、リフロー性を考慮して表１のようにコア３２、上部クラッド層４の組成を決定した。このとき、計算に使用した物性値は次の通りである。ｎ0＝１．４４４、δｎGeO2＝０．００１４４［１／ｍｏｌ％］、δｎP2O5＝０．００１４４［１／ｍｏｌ％］、δｎB2O3＝−０．０００３［１／ｍｏｌ％］、αSiO2＝０．５［ｐｐｍ］、δαGeO2＝０．１２［ｐｐｍ／（℃×ｍｏｌ％）］、δαP2O5＝０．１７［ｐｐｍ／（℃×ｍｏｌ％）］、δαB2O3＝０．１０［ｐｐｍ／（℃×ｍｏｌ％）］
【００４５】
【表１】
2005265892.tif 000003
【００４６】
本実施の形態によれば、上下クラッド層２、４及びコア３２の屈折率を従来の設計値に合わせ込んだままで、コア３２と上部クラッド層４との間の熱膨張係数を一致させることができる。これにより、コア−クラッド層間の熱応力の発生を抑制できるので低ＰＤＬの優れた光学特性の平面型光回路を得ることができる。
なお、ガラス中にドープする不純物材料は、ＧｅＯ2、Ｐ2Ｏ5、Ｂ2Ｏ3に限定されるものではなく、Ｆ、ＴｉＯ2、ＳｎＯ2等の屈折率を調整するドーパントを複数用いてもよいことは言うまでもない。また、上部クラッド層４に使用されるドーパントの数については、屈折率と熱膨張係数との２つの条件を満たせばよいので最低２種類でよいことになるが、実際には作製上の理由として例えば粘度等他の物性についても考慮するのなら３種類以上を用いることが好ましい。
【００４７】
(比較例）
ここで、比較例として、特許文献２の段落００４２に記載されているのと同様のマッハツェンダー型平面型光回路のＰＤＬ特性について説明する。比較例に係る平面型光導波路は、下部クラッド層２のＧｅＯ2ドープ量が０ｍｏｌ％である。また、下部クラッド層２と上部クラッド層４の比屈折率差Δは０．００４であり、上部クラッド層４とコア３２との比屈折率差Δは０．００７５である。このため、コア３２と下部クラッド層２との間の比屈折率差Δは０．０１１５である。上記式１及び式２及から本比較例のコア３２のＧｅＯ2ドープ量は約１１．５ｍｏｌ％となる。
【００４８】
図５は、比屈折率差Δを固定してコア３２のＧｅＯ2ドープ量を変化させて作製したマッハツェンダー型干渉系のＰＤＬの値を示しており、本実施の形態によるマッハツェンダー型干渉系光導波路の光学特性と比較例（従来例）のそれとを対比して示している。図５において、横軸はコア３２のＧｅＯ2の濃度Ｘ（ｍｏｌ％）を表し、縦軸はＰＤＬ（ｄＢ）を表している。図中、本実施例による平面型光回路は白丸印○で示し、従来例は黒四角印■で示している。図５から明らかなように、上記比較例に係る平面型光導波路は、コア３２のＧｅＯ2ドープ量を１１．５ｍｏｌ％としているが、この程度のドーパント量では偏波依存性が無視できるほど低減できたとは言えないことが分かる。一方で、ＧｅＯ2濃度ＸがＸ＞４０ｍｏｌ％以上の光回路では熱処理を施した後に上部クラッド層４にクラックが発生してしまい光導波路として機能しない。これは、ドープ量が４０ｍｏｌ％以上になるとガラス膜の熱膨張係数が基板であるシリコンのそれを超えてしまうため、ガラス膜に引っ張り応力が生じてしまうためと考えられる。
【００４９】
非特許文献１に報告されているようにＧｅＯ2濃度が４０ｍｏｌ％以下の場合には、ＳｉＯ2−ＧｅＯ2２成分系ガラスの熱膨張係数はＧｅＯ2濃度に対してほぼ線形に変化し、切片が純粋石英ガラスの値である０．５［ｐｐｍ／℃］となるとともに、傾きδαGeO2がほぼ０．１２［ｐｐｍ／（℃×ｍｏｌ％）］の値をとる。従って、ＧｅＯ2ドープ石英ガラスの熱膨張係数をシリコン基板のそれに一致させるには約２８ｍｏｌ％のＧｅＯ2をドープする必要がある。ＧｅＯ2濃度が１１．５ｍｏｌ％である比較例のコアの熱膨張係数は１．９ｐｐｍ／℃と計算されるが、この値は基板のシリコンの値：約３．９［ｐｐｍ／℃］よりもむしろ純粋石英の値０．５［ｐｐｍ／℃］に近い。
【００５０】
また、図５から明らかなように、ＧｅＯ2のドープ量が約３０ｍｏｌ％のときにＰＤＬが極小値をとり、２５ｍｏｌ％から３５ｍｏｌ％の間でＰＤＬが０．１ｄＢを下回っている。すなわち、シリコン基板上で石英光導波路を作製する際にはＧｅＯ2濃度が２５ｍｏｌ％から３５ｍｏｌ％程度であることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】平面型光回路の製造方法を示す図である。
【図２】マッハツェンダー型干渉系光導波路の概略図である。
【図３】石英ガラスの屈折率のドーパント濃度依存性を示す図である。
【図４】石英ガラスの熱膨張係数のドーパント濃度依存性を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態によるマッハツェンダー型干渉系光導波路の光学特性を従来例と対比して示す図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  シリコン基板
２  下部クラッド層
３  方向性結合器
４  上部クラッド層
３１  ガラス層
３２、３２’  コア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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